Проектирование установки для выпаривания раствора хлорида аммония

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Оглавление

Введение

1. Аналитический обзор

2. Технологическая часть

3. Инженерные расчёты

3.1 Расчёт выпарного аппарата

3.2 Расчёт подогревателя начального раствора

3.3 Расчёт холодильника

3.4 Расчёт барометрического конденсатора

3.5 Расчет производительности вакуум-насоса

Выводы по курсовому проекту

Список использованной литературы

Введение

В данной работе стоит задача спроектировать установку для выпаривания раствора хлорида аммония.

Выпаривание - это процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ путем частичного испарения растворителя при кипении жидкости.

Выпариванию подвергают растворы твердых веществ (водные растворы щелочей, солей и др.), также высококипящие жидкости, обладающие при температуре выпаривания весьма малым давлением пара, - некоторые минеральные и органические кислоты, многоатомные спирты и др. Выпаривание иногда применяют также для выделения растворителя в чистом виде: при опреснении морской воды выпариванием образующийся из нее водяной пар конденсируют и воду используют для питьевых или технических целях.

При выпаривании обычно осуществляется частичное удаление растворителя из всего объема при его температуре кипения. Поэтому выпаривание принципиально отличается от испарения, которое, как известно, происходит с поверхности раствора при любых температурах ниже температурах кипения. В ряде случаев выпаренный раствор подвергают последующей кристаллизации в выпарных аппаратах, специально приспособленных для этих целей.

Для нагревания выпариваемых растворов до кипения используют топочные газы, электрообогрев и высокотемпературные теплоносители, но наибольшее применение находит водяной пар, характеризующийся высокой удельной теплотой конденсации и высоким коэффициентом теплоотдачи.

Процесс выпаривания проводится в выпарных аппаратах. По принципу работы выпарные аппараты разделяются на периодические и непрерывно действующие.

Периодическое выпаривание применяется при малой производительности установки или для получения высоких концентраций. При этом подаваемый в аппарат раствор выпаривается до необходимой концентрации, сливается и аппарат загружается новой порцией исходного раствора.

В установках непрерывного действия исходный раствор непрерывно подается в аппарат, а упаренный раствор непрерывно выводится из него.

Наибольшее применение в химической технологии нашли выпарные аппараты поверхностного типа, особенно вертикальные трубчатые выпарные аппараты с паровым обогревом непрерывного действия.

В зависимости от режима движения кипящей жидкости в выпарных аппаратах их разделяют на аппараты со свободной, естественной и принудительной циркуляцией, пленочные выпарные аппараты, к которым относятся и аппараты роторного типа.

В данном проекте используется аппарат с естественной циркуляцией, с вынесенной греющей камерой и трубой вскипания. В этом аппарате циркуляция раствора осуществляется за счет различия плотностей в отдельных точках аппарата. Выпариваемый раствор, поднимаясь по трубам, нагревается и по мере подъема вскипает. Образовавшаяся парожидкостная смесь направляется в сепаратор, где происходит разделение жидкой и паровой фаз.

В таких аппаратах облегчается очистка поверхности от отложений, т.к. доступ к трубам легко осуществляется при открытой верхней крышке греющей камеры.

1. Аналитический обзор

Устройство выпарных аппаратов

Разнообразные конструкции выпарных аппаратов применяемых в промышленности, можно классифицировать по типу поверхности нагрева (паровые рубашки, змеевики, трубчатки различных видов), по её расположению в пространстве (аппараты с горизонтальной, вертикальной, иногда с наклонной нагревательной камерой), по роду теплоносителя (водяной пар, высокотемпературные теплоносители, электрический ток и др.), а также в зависимости от того, движется ли теплоноситель снаружи или внутри труб нагревательной камеры. Однако более существенным признаком классификации выпарных аппаратов, характеризующим интенсивность их действия, следует считать вид и кратность циркуляции раствора.

Различают выпарные аппараты с неорганизованной или свободной, направленной естественной и принудительной циркуляцией.

Выпарные аппараты делят также на аппараты прямоточные, в которых выпаривание раствора происходит за один его проход через аппарат без циркуляции раствора и аппараты, работающие с многократной циркуляцией раствора.

В зависимости от организации процесса различают периодически и непрерывно действующие аппараты.

Ниже подробно рассмотрены лишь наиболее распространённые, главным образом типовые конструкции аппаратов.

Аппараты со свободной циркуляцией раствора

Простейшими аппаратами этого типа являются периодически действующие открытые выпарные чаши с паровыми рубашками (для работы при атмосферном давлением) и закрытые котлы с рубашками, работающие под вакуумом.

В выпарных аппаратах с рубашками происходит малоинтенсивная неупорядоченная циркуляция выпариваемого раствора вследствие разности плотностей более нагретых и менее нагретых частиц. Поэтому в аппаратах с рубашками коэффициенты теплопередачи низки.

Поверхности нагрева рубашек и соответственно нагрузки этих аппаратов очень невелики. Поэтому выпарные аппараты с рубашками лишь изредка применяются в небольших производствах при выпаривании сильно агрессивных и вязких, выделяющих твердые осадки, растворов, так как поверхность нагрева может быть относительно просто защищена от коррозии с помощью химически стойких покрытий и легко очищена. Для её очистки иногда используют мешалки, например якорные.

Значительно большей поверхностью нагрева в единице объема обладают змеевиковые выпарные аппараты. В корпусе такого аппарата размещены паровые змеевики, а в паровом пространстве установлен брызгоуловитель. При проходе через брызгоуловитель поток вторичного пара изменяет направление своего движения и из него, выделяются унесенные паром капли жидкости.

Змеевики выполняют из отдельных секций, так как у длинных змеевиков, вследствие накопления конденсата, поверхность нагрева плохо используется. Кроме того, при секционировании змеевиков можно последовательно отключать отдельные секции по мере понижения уровня раствора в периодически действующем аппарате.

Змеевиковые аппараты более компактны, чем аппараты с рубашками и отличаются несколько большей интенсивностью теплопередачи. Однако очистка и ремонт змеевиков затруднены. В этих аппаратах также производят выпаривание небольших количеств химически агрессивных веществ.

К той же группе относятся выпарные аппараты с горизонтальной трубчатой нагревательной камерой и с вертикальным цилиндрическим корпусом. В нижней части корпуса таких аппаратов находится нагревательная камера, состоящая из пучка прямых горизонтальных труб, по которым движется греющий пар. Верхняя часть корпуса служит сепаратором, предназначенным для уменьшения механического уноса жидкости паром.

Известны также аналогичные аппараты с горизонтальным корпусом (полуцилиндрической, или сундучной формы). Они выгодно отличаются от вертикальных меньшей высотой слоя выпариваемого раствора, что значительно снижает температурные потери вследствие гидростатической депрессии. Кроме того, горизонтальные аппараты имеют больший объем парового пространства, что облегчает выпаривание в них сильно пенящихся растворов. Вместе с тем эти аппараты обладают и значительными недостатками по сравнению с вертикальными: более громоздки и металлоемки; непригодны для выпаривания кристаллизующихся растворов из-за трудности механической очистки наружной поверхности труб; имеют невысокие коэффициенты теплоотдачи в горизонтальных паровых трубах (внутри которых накапливается слой конденсата).

Вследствие указанных недостатков выпарные аппараты со свободной циркуляцией раствора в настоящее время вытеснены в большинстве производств выпарными аппаратами более совершенных конструкций, в частности вертикальными трубчатыми аппаратами.

Вертикальные аппараты с направленной естественной циркуляцией

В аппаратах этого типа выпаривание осуществляется при многократной естественной циркуляции раствора. Они обладают рядом преимуществ сравнительно с аппаратами других конструкций, благодаря чему получили широкое распространение в промышленности.

Основным достоинством таких аппаратов является улучшение теплоотдачи к раствору при его многократно организованной циркуляции в замкнутом контуре, уменьшающей скорость отложения накипи на поверхности труб. Кроме того, большинство этих аппаратов компактны, занимают небольшую производственную площадь, удобны для осмотра и ремонта.

Как будет показано ниже, развитие конструкции таких аппаратов происходит в направлении усиления естественной циркуляции. Последнее возможно путём увеличения разности весов столбов жидкости в опускной трубе и парожидкостной смеси в подъёмной части контура. Это достигается посредством:

1. увеличения высоты кипятильных (подъёмных) труб и повышения интенсивности парообразования в них с целью уменьшения плотности парожидкостной смеси, образующейся из кипящего раствора;

2. улучшения естественного охлаждения циркуляционной трубы для того, чтобы опускающаяся в ней жидкость имела возможно большую плотность;

3. поддержания в опускной трубе определённого уровня жидкости, необходимого для уравновешения столба парожидкостной смеси в подъёмных трубах при заданной скорости её движения.

Аппараты с внутренней нагревательной камерой и центральной циркуляционной трубой

В нижней части вертикального корпуса находится нагревательная камера, состоящая из двух трубных решёток, в которых закреплены, чаще всего развальцованы, кипятильные трубы (длиной 2-4 м) и циркуляционная труба большого диаметра, установленная по оси камеры. В межтрубное пространство нагревательной камеры подаётся греющий пар.

Раствор поступает в аппарат над верхней трубной решеткой и опускается по циркуляционной трубе вниз, затем поднимается по кипятильным трубам и на некотором расстоянии от их нижнего края вскипает. Поэтому на большей части длины труб происходит движение вверх парожидкостной смеси, содержание пара в которой возрастает по мере её движения. Вторичный пар поступает в сепарационное (паровое) пространство, где с помощью брызгоуловителя, изменяющего направление движения парового потока, от пара под действием инерционных сил отделяется унесённая им влага, после этого вторичный пар удаляется через штуцер сверху аппарата.

Упаренный раствор удаляется через нижний штуцер конического днища аппарата в качестве промежуточного или конечного продукта.

Как отмечалось, циркуляция раствора в аппарате происходит вследствие разности плотностей раствора в циркуляционной трубе и парожидкостной смеси в кипятильных трубах. Возникновение достаточной разности плотностей обусловлено тем, что поверхность теплообмена каждой кипятильной трубы, приходящаяся на единицу объёма упаренного раствора, значительно больше, чем у циркуляционной трубы, так как поверхность трубы находится в линейной зависимости от её диаметра, а объём жидкости в трубе пропорционален квадрату её диаметра. Следовательно, парообразование в кипятильных трубах должно протекать значительно интенсивней, чем в циркуляционной трубе, а плотность раствора в них будет ниже, чем в этой трубе. В результате обеспечивается естественная циркуляция, улучшающая теплопередачу и препятствующая образованию накипи на поверхности теплообмена.

В аппаратах этой конструкции циркуляционная труба, как и кипятильные трубы, обогревается паром, что снижает разность плотностей раствора и парожидкостной смеси, это может приводить к нежелательному парообразованию в самой циркуляционной трубе. Их недостатком также является жесткое крепление труб, не допускающее значительной разности тепловых удлинений труб и корпуса аппарата.

Аппараты с подвесной нагревательной камерой

В аппарате такого типа нагревательная камера имеет собственную обечайку и свободно установлена в нижней части корпуса аппарата. Греющий пар подаётся через трубу и поступает в межтрубное пространство нагревательной камеры, снизу которого отводится конденсат. Поступающий на выпаривание раствор опускается вниз по каналу кольцевого поперечного сечения, образованному стенками обечайки подвесной камеры и стенками корпуса аппарата. Раствор поднимается по кипятильным трубам, и таким образом выпаривание происходит при естественной циркуляции раствора.

Вторичный пар проходит брызгоуловитель и удаляется сверху аппарата. Отделенная от вторичного пара жидкость сливается по трубам.

Для периодической промывки аппарата в него подводится вода, которая распределяется с помощью перфорированной трубы. В этом аппарате циркуляционный кольцевой канал имеет большое поперечное сечение и находится вне нагревательной камеры, что оказывает благоприятное влияние на циркуляцию раствора. Благодаря свободному подвесу нагревательной камеры устраняется опасность нарушения плотности соединения кипятильных труб с трубными решетками вследствие разности тепловых удлинений труб и корпуса аппарата. Подвесная нагревательная камера может быть относительно легко демонтирована и заменена новой. Однако это достигается за счёт некоторого усложнения конструкции аппарата; кроме того, расход металла на единицу поверхности теплообмена для этих аппаратов выше, чем для аппаратов с центральной циркуляционной трубой.

Интенсивность циркуляции в аппаратах с подвесной камерой (как и в аппаратах с центральной циркуляционной трубой) недостаточна для эффективного выпаривания высоковязких и особенно кристаллизующихся растворов, обработка которых приводит к частым длительным остановкам этих аппаратов для очистки рабочих поверхностей.

Аппараты с выносными циркуляционными трубами

Естественная циркуляция раствора может быть усилена, если раствор на опускном участке циркуляционного контура будет лучше охлаждаться. Этим увеличивается скорость естественной циркуляции в выпарных аппаратах с выносными циркуляционными трубами. При расположении циркуляционных труб вне корпуса аппарата диаметр нагревательной камеры может быть уменьшен по сравнению с камерой аппарата, а циркуляционные трубы компактно размещены вокруг подогревательной камеры. Центробежный брызгоуловитель для подачи вторичного пара также вынесен за пределы сепарационного пространства аппарата. Конструкции таких аппаратов несколько более сложны, но в них добавляется более интенсивная теплопередача и уменьшается расход металла на 1 м² поверхности нагрева по сравнению с аппаратами с подвесной подогревательной камерой или центральной циркуляционной трубой.

Аппараты с выносной нагревательной камерой.

При размещении нагревательной камеры вне корпуса аппарата имеется возможность повысить интенсивность выпаривания не только за счёт увеличения разности плотностей жидкости и парожидкостной смеси в циркуляционном контуре, но и за счет увеличения длины кипятильных труб.

Аппарат с выносной нагревательной камерой, имеет кипятильные трубы, длина которых часто достигает 7 м. Он работает при более интенсивной естественной циркуляции, обусловленной тем, что циркуляционная труба не обогревается, а подъёмный и опускной участки циркуляционного контура имеют значительную высоту.

Выносная нагревательная камера легко отделяется от корпуса аппарата, что облегчает и ускоряет её чистку и ремонт. Ревизию и ремонт нагревательной камеры можно производить без полной остановки аппарата (а лишь при снижении его производительности), если присоединить к его корпусу две нагревательные камеры.

Исходный раствор поступает под нижнюю трубную решетку нагревательной камеры и, поднимаясь по кипятильным трубам, выпаривается. Иногда подачу раствора производят так, как указано на рисунке, в циркуляционную трубу. Вторичный пар отделяется от жидкости в сепараторе. Жидкость опускается по необогреваемой циркуляционной трубе, смешивается с исходным раствором, и цикл циркуляции повторяется снова. Вторичный пар, пройдя брызгоуловитель, удаляется сверху сепаратора. Упаренный раствор отбирается через боковой штуцер в коническом днище сепаратора.

Скорость циркуляции в аппаратах с выносной нагревательной камерой может достигать 1.5 м/с, что позволяет выпаривать в них концентрированные и кристаллизующиеся растворы, не опасаясь слишком быстрого загрязнения поверхности теплообмена. Благодаря универсальности, удобству эксплуатации и хорошей теплопередачи аппараты такого типа получили широкое распространение.

В некоторых конструкциях аппаратов с выносной нагревательной камерой циркуляционная труба отсутствует.

В этом случае выпаривание происходит за один проход раствора через нагревательную камеру, т. е. аппарат работает как прямоточный. Выпарные аппараты прямоточного типа не пригодны для выпаривания кристаллизирующихся растворов.

Аппараты с вынесенной зоной кипения

При скоростях 0.25-1.5 м/с с которыми движется раствор в аппаратах с естественной циркуляцией, описанных ранее, не удаётся предотвратить отложения твердых осадков на поверхности теплообмена. Поэтому требуется периодическая остановка аппарата для очистки, что связано со снижением их производительности и увеличением стоимости эксплуатации.

Загрязнение поверхности теплообмена при выпаривании кристаллизирующихся растворов можно значительно уменьшить путём увеличения скорости циркуляции раствора и вынесением зоны его кипения за пределы нагревательной камеры.

В аппарате с вынесенной зоной кипения, выпариваемый раствор поступает снизу в нагревательную камеру и, поднимаясь по трубам (длиной 4-7 м) вверх, вследствие гидростатического давления не закипает в них. По выходе из кипятильных труб раствор поступает в расширяющуюся кверху трубу вскипания, установленную над нагревательной камерой в нижней части сепаратора. Вследствие понижения давления в этой трубе раствор вскипает и, таким образом, парообразование происходит за пределами нагрева.

Циркулирующий раствор опускается по наружной необогреваемой трубе. Упаренный раствор отводится из кармана в нижней части сепаратора. Вторичный пар пройдя отбойник и брызгоуловитель, удаляется сверху аппарата. Исходный раствор поступает либо в нижнюю часть аппарата (под трубную решетку нагревательной камеры), либо сверху в циркуляционную трубу.

Вследствие большой поверхности испарения, которая создаётся в объёме кипящего раствора и частичного самоиспарения капель, унесённых вторичным паром, значительно снижается брызгоунос. Кипящий раствор не соприкасается с поверхностью теплообмена, что уменьшает отложение накипи.

Ввиду значительного перепада температур (до 30С) между греющим паром и раствором и малой потери напора в зоне кипения скорость циркуляции в этих аппаратах достигает 1.8-2 м/с.

Увеличение скорости приводит к увеличению производительности и интенсификации теплообмена. Коэффициенты теплопередачи в таких аппаратах достигают 3000 вт/(м²К).

Аппараты с вынесенной зоной кипения могут эффективно применяться для выпаривания кристаллизующихся растворов умеренной вязкости.

Прямоточные (пленочные) аппараты

Принципиальное отличие этих аппаратов от аппаратов с естественной циркуляцией состоит в том, что выпаривание в них происходит при однократном прохождении выпариваемого раствора по трубам нагревательной камеры. Таким образом, выпаривание осуществляется без циркуляции раствора. Кроме того, раствор выпаривается, перемещаясь (на большей части высоты кипятильных труб) в виде тонкой пленки по внутренней поверхности труб. В центральной части труб вдоль их оси движется вторичный пар. Это приводи к резкому снижению температурных потерь, обусловленных гидростатической депрессией.

Различают прямоточные выпарные аппараты с поднимающейся и опускающейся пленкой.

Аппарат с поднимающейся пленкой состоит из нагревательной камеры, представляющей собой пучок труб небольшого диаметра (15-25 мм) длиной 7-9 м, и сепаратора.

Раствор на выпаривание поступает снизу в трубы нагревательной камеры, межтрубное пространство которой обогревается греющим паром. На уровне, соответствующем обычно 20-25% высоты труб, наступает интенсивное кипение. Пузырьки вторичного пара сливаются и пар, быстро поднимаясь по трубам, за счет поверхностного трения увлекает за собой раствор. При этом жидкость перемещается в виде пленки, всползающей по внутренней поверхности труб, и выпаривание происходит в тонком слое.

Вторичный пар, выходящий из труб, содержит капли жидкости, которые отделяются от пара с помощью отбойника и центробежного брызгоуловитель. В брызгоуловитель влажный пар поступает тангенциально и ему сообщается вращательное движение. Под действием центробежной силы капли жидкости отбрасываются к периферии, жидкость стекает вниз, а пар удаляется сверху из аппарата.

Прямоточные выпарные аппараты ближе к аппаратам идеального вытеснения, в то время как аппараты с многократной циркуляцией приближаются к аппаратам идеального смешения. Вместе с тем в прямоточных аппаратах раствор проходит по кипятильным трубкам однократно. Поэтому время пребывания его мало и аккумулирующая способность этих аппаратов низка, что важно при выпаривании термически нестойких веществ.

Прямоточные аппараты чувствительны к изменению режима работы и требуют для эффективного выпаривания поддерживания некоторого оптимального «кажущегося» уровня раствора в кипятильных трубах. «Кажущийся» уровень соответствует высоте столба холодного раствора, которым может быть уравновешен столб парожидкостной смеси в трубах. При «кажущемся» уровне ниже оптимального верхняя часть поверхности труб не омывается жидкостью и практически не участвует в теплообмене; «оголенная» часть поверхности труб при испарении на ней брызг жидкости покрывается накипью. При «кажущемся» уровне выше оптимального на большей части поверхности труб раствор только нагревается; соответственно уменьшается высота зоны кипения, где теплопередача интенсивнее; это приводит к снижению средней величины коэффициента теплопередачи. Кроме того, для вертикальных прямоточных аппаратов необходимы высокие производственные помещения. Область применения аппаратов с поднимающейся пленкой - выпаривание маловязких растворов, в том числе пенящихся и чувствительных к высоким температурам. Эти аппараты не рекомендуются для выпаривания кристаллизующихся растворов ввиду возможности забивания труб кристаллами.

В прямоточных (пленочных) аппаратах трудно обеспечить равномерную толщину пленки выпариваемой жидкости (что необходимо для, эффективной работы аппарата), кроме того, эти аппараты весьма чувствительны к неравномерной подаче раствора, а чистка длинных труб малого диаметра затруднительна. Поэтому пленочные аппараты вытесняются вертикальными выпарными аппаратами с циркуляцией раствора.

Роторные прямоточные аппараты

Для выпаривания нестойких к повышенным температурам вязких и листообразных растворов применяют роторные прямоточные аппараты. Внутри цилиндрического корпуса аппарата, снабженного паровыми рубашками, вращается ротор, состоящий из вертикального вала (расположенного по оси аппарата) и шарнирно закрепленных на уем скребков.

Выпариваемый раствор поступает в аппарат сверху, захватывается вращающимися скребками, под действием центробежной силы отбрасывается к стенкам аппарата и перемещается по их внутренней поверхности в виде турбулентно движущейся пленки. Постепенно происходит полное выпаривание пленки, и на стенках аппарата образуется тонкий слой порошка или пасты, который снимается вращающимися скребками (зазор между наружной кромкой скребков и стенкой аппарата составляет менее 1 мм). Твердый или пастообразный продукт удаляется через специальный секторный затвор из днища аппарата.

В роторных прямоточных аппаратах достигается интенсивный теплообмен при небольшом уносе жидкости вторичным паром. Вместе с тем роторные аппараты сложны в изготовлении и отличаются относительно высокой стоимостью эксплуатации, вследствие наличия вращающихся частей (ротора) Имеется несколько разновидностей роторных прямоточных выпарных аппаратов, в том числе аппараты с горизонтальным корпусом.

Аппараты с принудительной циркуляцией

Для того чтобы устранить отложение накипи в трубах, особенно при выпаривании кристаллизующихся растворов, необходимы скорости циркуляции не менее 2-2,5 м/сек т.е. больше тех скоростей, при которых работают аппараты с естественной циркуляцией. В принципе такие высокие скорости достижимы и в условиях естественной циркуляции, но при этом необходимы очень большие полезные разности температур (между греющим паром и кипящим раствором).

В аппаратах с принудительной циркуляцией скорость ее определяется производительностью циркуляционного насоса и не зависит от высоты уровня жидкости в трубах, а также от интенсивности парообразования Поэтому в аппаратах с принудительной циркуляцией выпаривание эффективно протекает при малых полезных разностях температур,. не превышающих 3-5°С и при значительных вязкостях растворов

Аппарат имеет выносную вертикальную нагревательную камеру, сепаратор и не обогреваемую циркуляционную трубу, в которую подается исходный раствор. Циркуляция раствора производится насосом.

При большой скорости движения выпариваемого раствора кипение его происходит на коротком участке перед выходом из кипятильных труб. Таким образом, зона кипения оказывается перемещенной в самую верхнюю часть нагревательной камеры. На большей части длины труб жидкость лишь несколько перегревается. Это объясняется тем, что давление внизу трубы больше давления у её верхнего края на величину гидростатического давления столба жидкости и гидравлического сопротивления трубы.

Вследствие высокого уровня раствора в кипятильных трубах значительная часть всего циркуляционного контура заполнена жидкостью, а паросодержание смеси жидкости и вторичного пара, выбрасываемой из труб, невелико. В связи с этим циркуляционный насос должен перекачивать большие объемы жидкости (иметь большую производительность) при умеренном расходе энергии, затрачиваемой в основном на преодоление гидравлического сопротивления труб. Таким требованиям удовлетворяют пропеллерные насосы, которые обычно используются в аппаратах с принудительной циркуляцией. Скорость ее ограничена возрастанием гидравлического сопротивления и соответственно расходом энергии на циркуляцию. Поэтому желательно выбирать оптимальную скорость циркуляции, которую устанавливают на основе технико-экономических расчетов.

Выпарные аппараты с тепловым насосом

По технологическим причинам использование многоярусных выпарных аппаратов иногда может оказаться неприемлемым. Так, например, приходится отказываться от многократного выпаривания тех чувствительных к высоким температурам растворов для которых температуры кипения в первых корпусах многокорпусных установок слишком высоки и могут вызвать порчу продукта. В подобных и некоторых других случаях возможно и экономически целесообразно использовать для выпаривания однокорпусные выпарные аппараты с тепловым насосом.

С помощью теплового насоса, представляющего собой трансформатор тепла, повышают экономичность работы однокорпусного аппарата, сжимая вторичный пар на выходе аппарата до давления свежего (первичного) пара и направляя его в качестве греющего в нагревательную камеру того же аппарата. Сжатие вторичного пара производят главным образом в турбокомпрессорах с приводом от электродвигателя или турбины или же в струйных компрессорах (инжекторах). Вследствие компактности, простоты устройства и надежности эксплуатации в.качестве тепловых насосов наиболее широко применяют струйные компрессоры, несмотря на их невысокий к.п.д. Первичный пар поступает по оси компрессора и инжектирует вторичный пар более низкого давления. Смесь первичного и вторичного пара по выходе из компрессора (при давлении Р₂<Р₁) делится на две части: большая часть смеси направляется в нагревательную камеру выпарного аппарата а остальная, избыточная часть D_изб отводится на сторону, к другим потребителям тепла.

При выпаривании растворов с небольшой температурной депрессией применение тёплового насоса в многокорпусной выпарной установке, может существенно снизить расход свежего пара на выпаривание.

Экономичность применения теплового насоса определяется отношением стоимости энергий, затрачиваемой на сжатие вторичного пара в компрессоре, к стоимости pacxoдуемого в выпарной установке первичного пара. В отдельных случаях это отношение может быть настолько малый, что выпарные аппараты с тепловым насосом могут успешно конкурировать с многокорпусными выпарными установками.

Расход энергии на тепловой насос приблизительно пропорционален разности температур насыщения свежего и вторичного пара, которая в свою очередь, зависит от температурной депрессии выпариваемого раствора. Поэтому для выпаривания растворов, обладающих значительной температурной депрессией, использование теплового насоса оказывается нецелесообразным. Обычно ёго применение рентабельно при невысокой степени сжатия вторичного пара, соответствующей повышению температуры насыщения пара не более чем на 10-15°С.

Области применения выпарных аппаратов

Конструкция выпарного аппарата должна удовлетворять ряду общих требований, к числу которых относятся: высокая производительность и интенсивность теплопередачи при возможно меньших объёме аппарата и расходе металла на его изготовление, простота устройства, надёжность в эксплуатации, легкость очистки поверхности теплообмена, удобство осмотра, ремонта и замены отдельных частей.

Вместе с тем выбор конструкции и материала выпарного аппарата определяется в каждом конкретном случае физико-химическими свойствами выпариваемого раствора (вязкость, температурная депрессия, кристаллизируемость, термическая стойкость, химическая агрессивность и др.)

Как указывалось, высокие коэффициенты теплопередачи и большие производительности достигаются путём увеличения скорости циркуляции раствора. Однако одновременно возрастает расход энергии на выпаривание и уменьшается полезная разность температур, т.к. при постоянной температуре греющего пара с возрастанием гидравлического сопротивления увеличивается температура кипения раствора. Противоречивое влияние этих факторов должно учитываться при технико-экономическом сравнении аппаратов и выборе оптимальной конструкции.

Ниже приводятся области преимущественного использования выпарных аппаратов различных типов.

Для выпаривания растворов небольшой вязкости ~810^-3 Пас, без образования кристаллов чаще всего используются вертикальные выпарные аппараты с многократной естественной циркуляцией. Из них наиболее эффективны аппараты с выносной нагревательной камерой и с выносными необогреваемыми циркуляционными трубами.

Выпаривание некристаллизующихся растворов большой вязкости, достигающей порядка ~0.1 Пас, производят в аппаратах с принудительной циркуляцией, реже - в прямоточных аппаратах с падающей плёнкой или в роторных прямоточных аппаратах. В роторных прямоточных аппаратах, как отмечалось, обеспечиваются благоприятные условия для выпаривания растворов, чувствительных к повышенным температурам.

Аппараты с принудительной циркуляцией широко применяются для выпаривания кристаллизующихся или вязких растворов. Подобные растворы могут эффективно выпариваться и в аппаратах с вынесенной зоной кипения, работающих при естественной циркуляции. Эти аппараты при выпаривании кристаллизирующихся растворов могут конкурировать с выпарными аппаратами с принудительной циркуляцией.

Для сильно пенящихся растворов рекомендуется применять аппараты с поднимающейся пленкой.

2. Технологическая часть

Описание технологической схемы.

В однокорпусной выпарной установке подвергается выпариванию водного раствора хлорида аммония под вакуумом. Установка состоит из выпарного аппарата - корпуса, барометрического конденсатора и вспомогательного оборудования.

Исходный раствор NH₄Cl из емкости Е1 подается центробежным насосом Н в холодильник Х1, X2, X3, где охлаждая концентрированный раствор, вышедший из выпарного аппарата, подогревается. Затем поступает в двухходовой теплообменник T1, где окончательно нагревается греющим паром до температуры, близкой к температуре кипения. И после этого раствор поступает в греющую камеру выпарного аппарата АВ. В данной курсовой работе рассматривается выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой и кипением в трубах. Предварительный подогрев раствора повышает интенсивность кипения. Выпариваемый раствор, нагревается и кипит с образованием вторичного пара. Отделение пара от жидкости происходит в сепараторе выпарного аппарата. Освобожденный от брызг и капель вторичный пар удаляется из верхней части сепаратора.

Движение раствора и вторичного пара осуществляется вследствие перепада давлений, создаваемого барометрическим конденсатором КБ и вакуум-насосом НВ. В барометрическом конденсаторе КБ вода, поступающая в конденсатор из ёмкости E2, и пар движутся в противоположных направлениях (вода - сверху, пар - снизу). Для увеличения поверхности контакта фаз конденсатор снабжен переливными полками. Смесь воды и конденсата удаляется из конденсатора самотеком через барометрическую трубу в барометрический ящик.

Конденсат греющих паров из выпарного аппарата АВ выводится с помощью конденсатоотводчиков КО.

Концентрированный раствор NH₄Cl после выпарного аппарата подается в холодильники Х1, X2, X3, (рассмотренные выше), где охлаждается до определённой температуры.

Затем по трубопроводу концентрированный раствор отводится в вакуум-сборники Е3-4, работающие попеременно. Вакуум-сборники опорожняются периодически (по мере накопления). Далее раствор поступает в емкость упаренного раствора Е5.

3. Инженерные расчеты

3.1 Расчеты выпарного аппарата

Основные уравнения материального баланса:

(1)

(2)

где: ? массовый расход начального раствора, кг/с;

? массовый расход конечного раствора, кг/с;

? массовая доля растворенного вещества в начальном растворе;

? массовая доля растворенного вещества в конечном растворе;

W - расход вторичного пара, кг/с.

Из формулы (2) получаем:

; (3)

кг/с.

Решая совместно уравнения (1) и (2)получаем:

; (4)

кг/с.

По заданию что известно давление в аппарате вакуум 478 мм. рт. ст. Переведем это давление в систему СИ.

По полученному значению давления по паровой таблице из ([1] С. 257) путем интерполяции найдем температуру в выпарном аппарате.

Запишем формулу интерполяции:

(5)

Воспользовавшись формулой (5) найдем температуру в выпарном аппарате t₁:

⁰C

Температуру в сепараторе выпарного аппарата мы определяем по формуле:

(6)

где - гидравлическая депрессия, К.

Принимаем = 1 К.

Преобразовав формулу (6) рассчитаем t₀:

⁰C

При помощи найденной температуры по паровой таблице из ([1] С. 257) путем интерполяции находим давление в барометрическом конденсаторе P₀. По формуле (5) получаем:

Температура кипения раствора в сепараторе выпарного аппарата, при которой конечный раствор выводится из аппарата определяется по формуле при P₁ =0,038?10⁶ Па и x_кон =0,09:

; (7)

где: ,

Оптимальную высоту уровня по водомерному стеклу определяем по формуле:

(8)

где: - плотности раствора ;

- плотности воды, ;

- рабочая высота труб, принимаем .

Плотность воды можно рассчитать по формуле при :

; (9)

.

Плотность раствора определяем по формуле при и x=x_кон=0,09:

; (10)

где: , ,

Подставляя найденные значения и в формулу (8) получаем:

Гидростатическое давление в середине высоты труб при определяем по формуле:

; (11)

.

Подставляя в формулу (7) давление , находим температуру кипения раствора на середине кипятильных труб:

Найдем температуру греющего пара по формуле:

(12)

где: - полезная разность температур, К.

Принимаем = 20 К.

Рассчитаем t_гр.п:

⁰C

По найденной температуре по паровой таблице из ([1] С. 257) путем интерполяции находим давление греющего пара P_гр.п по формуле (5):

Тепловая нагрузка выпарного аппарата равна:

, (13)

где: - расход теплоты на нагрев раствора, Вт;

? расход теплоты на испарение влаги, Вт;

? расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду.

Перепишем уравнение (13) в виде:

, (14)

где: - теплоемкость разбавленного раствора, определяем по формуле при x=x_нач=0,04 и t=t_кон=75,95⁰С :

, (15)

где: , , ,

- удельная теплоемкость воды, найдем по формуле:

; (16)

.

Тогда по формуле (15) теплоемкость разбавленного раствора будет равна:

Исходя из того, что исходный раствор охлаждает концентрированный, то:

(17)

 ? энтальпия вторичного пара, определяем при температуре t₁=74,06⁰C по паровой таблице из ([1] С. 257) путем интерполяции.

Воспользуемся формулой (5):

- теплоемкость воды, 4190

Теперь по формуле (14) определим тепловую нагрузку выпарного аппарата Q:

Расход греющего пара в выпарном аппарате определяем по уравнению:

(18)

где: - паросодержание (степень сухости) греющего пара;

- удельная теплота конденсации греющего пара, определяем при температуре по паровой таблице из ([1] С. 257) путем интерполяции по формуле (5):

Теперь по формуле (18) определим :

Удельный расход греющего пара:

(19)

Запишем уравнение теплопередачи:

, (20)

где: k - коэффициент теплопередачи, ;

F - поверхность теплообмена, ;

- движущая сила процесса теплопередачи, ⁰С.

Коэффициент теплопередачи k определяется по формуле:

, (21)

где: ,- коэффициенты теплоотдачи, ;

- суммарное сопротивление стенки, .

Найдем по формуле:

, (22)

где: , - термические сопротивления, ;

- толщина стенки, 2?10^-3 м;

- коэффициент теплопроводности стали, 46,5.

Значения , определяем из ([2] стр. 531):

Теперь по формуле (22) найдем суммарное термическое сопротивление стенки:

Коэффициенты теплоотдачи , определяются по формулам:

(23)

(24)

Определим величины, входящие в эти уравнения:

Величину функции A_t находим из ([2], табл. 4.6, стр. 162) путем интерполяции по формуле (5) при температуре t_гр.п=100,415⁰С:

Безразмерная функция b определяется по формуле:

(25)

где: - плотность раствора;

- плотность пара.

определяем по формуле при t= t_кип=80,415⁰С и x=x_кон=0,09:

.

определяем по паровой таблице из ([1] С. 257) путем интерполяции при t_кип = 80,415 (формула (5)):

Теперь определим по формуле (25) безразмерную функцию b:

Для кипящего раствора NH4Cl коэффициент теплопроводности мы рассчитываем по формуле при t= t_кип=80,415⁰С и x=x_кон=0,09:

(26)

где: ;

- коэффициент теплопроводности воды, .

(27)

Тогда по формуле (26) получаем:

Динамический коэффициент вязкости рассчитывается по формуле при t= t_кип=80,415⁰С и x=x_кон=0,09:

(28)

где: , , ;

- вязкость воды, .

(29)

При средней температуре кипения раствора получаем:

.

Определим плотность раствора при по формуле при t= t_кип=80,415⁰С и x=x_кон=0,09:

Найдем кинематическую вязкость н по формуле:

н=м/с, (30)

Поверхностное натяжение у берем из ([2] стр. 526) путем интерполяции при t_кип=80,415 по формуле (5):

Метод итераций

1. Принимаем . Тогда температура стенки со стороны греющего пара равняется:

(31)

2. Находим по формуле (23):

3. Удельный тепловой поток от пара к стенке равен:

, (32)

.

4. Поскольку удельный тепловой поток от пара к стенке равен удельному тепловому потоку через стенку , то можно получить:

, (33)

при этом - температура стенки со стороны раствора:

(34)

.

5. Находим по формуле (24):

где: Дt_кип = t_ст2 -t_кип =89,243-80,415=8,829⁰С (35)

T_кип = t_кип+273=80,415+273=353,415⁰С (36)

6. Удельный тепловой поток от стенки к раствору равняется:

=?(- t_кип); (37)

.

7. Находим е - погрешность приближений:

; (38)

.

не превышает 0.05, значит, расчет на этом заканчивается.

По данным приближения определяем коэффициент теплопередачи по формуле (21):

Поверхность теплообмена выразим из уравнения (20):

; (39)

.

Возьмем F с запасом на 13% больше:

F=403,577?1,3=524,65

По полученной поверхности теплообмена по ([3] С. 183) выбираем выпарной аппарат с естественной циркуляцией раствора и вынесенной греющей камерой. Размеры аппарата:

D=1800 мм, диаметр греющей камеры

D₁=4500 мм, диаметр сепаратора

D₂=1200 мм, диаметр циркуляционной трубы

H=17000 мм, высота аппарат

М=38300 кг, масса аппарата

l=5000 мм, длина трубы

F=560, номинальная поверхность теплообмена

3.2 Расчет подогревателя начального раствора

выпаривание хлорид аммоний вакуум

Рисунок 1. ? Температурная схема

t'_нач - начальная температура исходного раствора

t_б- большая разность температур С

t_м -меньшая разность температур С;

t_нач - температура исходного раствора после подогревателя, С

t_б = t_гр.п - t_нач (40)

t_б = 100,415 - 35,13 =65,285 С

t_м = t_гр.п - t_нач (41)

t_м = 100.415 - 73.95 = 26,46 С

Значение средней движущей силы рассчитывается по формуле, аналогичной формуле (22):

С

Средняя температура разбавленного раствора:

t_ср.р = t_гр.п - t_ср (42)

t_ср.р =100,415 - 42,989=57,426 С

Тепловой баланс подогревателя исходного раствора, состоящий из теплоты, передаваемой греющим паром раствору, и теплоты раствора будет иметь следующий вид:

(43)

где: - расход разбавленного раствора, кг/с;

- удельная теплоёмкость раствора, Дж/(кг К);

- температура раствора на выходе из подогревателя, ⁰С; - температура раствора на входе в подогреватель, ⁰С; - расход греющего пара, кг/с;

- удельная теплота парообразования, Дж/кг;

- удельная теплоемкость раствора, рассчитанная по формуле, при и :

t_гр.п.=100.415 находим из ([2] С. 542) путем интерполяции (формула (5)):

Из уравнения (43) найдём массовый расход греющего пара:

(44)

Расход теплоты на подогрев исходного раствора от температуры t_нач до температуры t_нач найдем по следующей формуле:

(45)

 Вт

Теперь можно определить расход греющего пара, формула (44):

кг/с

Ориентировочно выберем коэффициент теплопередачи для подогревателя / 2, табл. 4.8 /:

Вт/(м² К)

Ориентировочную площадь теплообмена рассчитываем по формуле (39):

м²

F_апп>F_ор на 15%:

F_апп1 =1,5? F_ор =9,037 (46)

Запишем критерий Рейнольдса для трубного пространства:

, (47)

где: - средняя скорость потока, м/с;

- эквивалентный диаметр, ;

- плотность раствора,;

- динамический коэффициент вязкости, .

Допустим, что Re=10000.

Плотность раствора и коэффициент динамической вязкости ищем при средней температуре раствора и начальной концентрации:

Найдем с,м раствора по формуле при и :

;

.

;

.

Эквивалентный диаметр:

Из формулы (47) выразим скорость течения потока:

(48)

м/с

Рассчитаем , площадь трубного пространства:

(49)

м²

Исходя из ориентировочного расчёта, можно сделать выбор в пользу двухходового кожухотрубчатого аппарата со следующими параметрами:

Табл. 1. ? Параметры кожухотрубчатого теплообменника

D, мм	d, мм	Число ходов	n, шт.	F, м2, l=2 м	Sвыр.перегород 10-2, м2	Sтр. 10-2,м2
325	25x2	2	56	9,0	1,3	1,0

Теперь с новыми параметрами кожухотрубчатого теплообменника можно рассчитать точное значение скорости и числа Рейнольдса по формулам (48, 49):

м/с

Сравнивая два значения скорости, видно, что ориентировочная меньше, а это значит, что можно продолжить расчёты.

Турбулентный режим сохраняется.

3.3 Расчет холодильника

Зададимся значением температуры упаренного раствора на выходе из теплообменного аппарата. Обычно её выбирают из интервала в 35-40 ⁰C.

Теперь из теплового баланса холодильника (формула 53) можно определить температуру исходного раствора на выходе из теплообменного аппарата.

(50)

где: C_кон - удельная теплоёмкость горячего теплоносителя рассчитывается по следующей формуле, Дж/(кг К) при x_кон и средней температуре горячего теплоносителя:

Тогда получаем:

Дж/(кг К)

Теперь можно определить недостающую температуру:

⁰C

В рассматриваемом аппарате теплоносители будут двигаться противотоком, что видно из расположенной ниже температурной схемы.

Рисунок 2. ? Температурная схема движения теплоносителей в

холодильнике

Значение усредненной по всей теплообменной поверхности разности температур рассчитывается по формуле (40), при этом:

; ;

.

Средние температуры теплоносителей:

холодного: (51)

⁰C

горячего: (52)

С

Запишем уравнение теплового баланса холодильника:

(53)

Где количество теплоты, которое необходимо отвести от раствора для его охлаждения: